Fotovoltaico - Photovoltaics

The Solar Settlement , un progetto di comunità abitativa sostenibile a Friburgo , in Germania.
La tenda fotovoltaica SUDI è una stazione autonoma e mobile in Francia che fornisce energia per auto elettriche utilizzando l'energia solare.
Pannelli solari sulla Stazione Spaziale Internazionale

Il fotovoltaico ( PV ) è la conversione della luce in elettricità utilizzando materiali semiconduttori che esibiscono l' effetto fotovoltaico , un fenomeno studiato in fisica , fotochimica ed elettrochimica . L'effetto fotovoltaico è commercialmente utilizzato per la produzione di energia elettrica e come fotosensori .

Un impianto fotovoltaico impiega moduli solari , ciascuno comprendente un numero di celle solari , che generano energia elettrica. Gli impianti fotovoltaici possono essere montati a terra, su tetto, a parete o flottanti. La montatura può essere fissa o utilizzare un inseguitore solare per seguire il sole nel cielo.

Alcuni sperano che la tecnologia fotovoltaica produca abbastanza energia sostenibile a prezzi accessibili per aiutare a mitigare il riscaldamento globale causato dalla CO
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. Il solare fotovoltaico ha vantaggi specifici come fonte di energia: una volta installato, il suo funzionamento non genera inquinamento e nessuna emissione di gas serra , mostra una semplice scalabilità rispetto alle esigenze energetiche e il silicio ha una grande disponibilità nella crosta terrestre, sebbene altri materiali richiesti nel sistema fotovoltaico manifattura come l'argento finirà per limitare l'ulteriore crescita della tecnologia. Altri importanti vincoli individuati sono la concorrenza per l'uso del suolo e la mancanza di manodopera nella presentazione delle domande di finanziamento. L'uso del fotovoltaico come fonte principale richiede sistemi di accumulo di energia o distribuzione globale tramite linee elettriche ad alta tensione in corrente continua che causano costi aggiuntivi e presenta anche una serie di altri svantaggi specifici come la generazione instabile di energia e l'obbligo per le società elettriche di compensare troppa energia solare nel mix di offerta avendo alimentatori convenzionali più affidabili al fine di regolare i picchi di domanda e la potenziale sottoofferta. La produzione e l'installazione causano inquinamento ed emissioni di gas serra e non ci sono sistemi praticabili per riciclare i pannelli una volta che sono alla fine della loro vita dopo 10-30 anni.

I sistemi fotovoltaici sono stati a lungo utilizzati in applicazioni specializzate come installazioni stand-alone e sistemi fotovoltaici connessi alla rete sono in uso dagli anni '90. I moduli fotovoltaici sono stati prodotti per la prima volta in serie nel 2000, quando gli ambientalisti tedeschi e l' organizzazione Eurosolar hanno ricevuto finanziamenti dal governo per un programma di diecimila tetti.

La riduzione dei costi ha consentito al fotovoltaico di crescere come fonte di energia. Ciò è stato parzialmente guidato dai massicci investimenti del governo cinese nello sviluppo della capacità di produzione solare dal 2000 e nel raggiungimento di economie di scala . Gran parte del prezzo di produzione deriva dal polisilicio , componente chiave , e la maggior parte della fornitura mondiale è prodotta in Cina, specialmente nello Xinjiang . Oltre alle sovvenzioni, i prezzi bassi dei pannelli solari negli anni 2010 sono stati ottenuti grazie al basso prezzo dell'energia dal carbone e al costo del lavoro a basso costo nello Xinjiang, oltre a miglioramenti nella tecnologia di produzione e nell'efficienza. I progressi tecnologici e l'aumento della scala di produzione hanno anche aumentato l'efficienza degli impianti fotovoltaici. Lo scambio sul posto e gli incentivi finanziari, come le tariffe preferenziali di immissione in rete per l'elettricità generata dall'energia solare, hanno sostenuto le installazioni solari fotovoltaiche in molti paesi. I prezzi dei pannelli sono diminuiti di un fattore 4 tra il 2004 e il 2011. I prezzi dei moduli sono scesi del 90% rispetto agli anni 2010, ma hanno iniziato a crescere rapidamente nel 2021.

Nel 2019, la capacità fotovoltaica installata in tutto il mondo è aumentata a oltre 635 gigawatt (GW) coprendo circa il due percento della domanda globale di elettricità . Dopo l' energia idroelettrica ed eolica , il fotovoltaico è la terza fonte di energia rinnovabile in termini di capacità globale. Nel 2019 l' Agenzia Internazionale per l'Energia prevedeva una crescita di 700 - 880 GW dal 2019 al 2024. In alcuni casi, il fotovoltaico ha offerto la fonte di energia elettrica più economica nelle regioni ad alto potenziale solare, con un'offerta per un prezzo di appena 0,01567 US $/ kWh in Qatar nel 2020.

Etimologia

Il termine "fotovoltaico" deriva dal greco φῶς ( phōs ) che significa "luce", e da "volt", l'unità di misura della forza elettromotrice, il volt , che a sua volta deriva dal cognome del fisico italiano Alessandro Volta , inventore di la batteria ( cella elettrochimica ). Il termine "fotovoltaico" è in uso in inglese dal 1849.

Storia

Celle solari

Le celle solari generano elettricità direttamente dalla luce solare .
Mappa del potenziale dell'energia fotovoltaica
Stima della mappa del potenziale di potenza fotovoltaica, quanti kWh di energia elettrica possono essere prodotti da un modulo c-Si da 1 kWp indipendente, inclinato in modo ottimale verso l'equatore. La media a lungo termine risultante (giornaliera o annuale) viene calcolata sulla base dei dati meteorologici delle serie temporali di almeno 10 anni recenti.

Il fotovoltaico è meglio conosciuto come un metodo per generare energia elettrica utilizzando celle solari per convertire l'energia del sole in un flusso di elettroni mediante l' effetto fotovoltaico .

Le celle solari producono elettricità in corrente continua dalla luce solare che può essere utilizzata per alimentare apparecchiature o per ricaricare una batteria . La prima applicazione pratica del fotovoltaico è stata quella di alimentare satelliti in orbita e altri veicoli spaziali , ma oggi la maggior parte dei moduli fotovoltaici viene utilizzata per sistemi connessi alla rete per la generazione di energia. In questo caso è necessario un inverter per convertire la corrente continua in corrente alternata . Esiste ancora un mercato più piccolo per i sistemi autonomi per abitazioni remote, barche , veicoli ricreativi , auto elettriche , telefoni di emergenza stradali, telerilevamento e protezione catodica delle condutture .

La generazione di energia fotovoltaica utilizza moduli solari composti da un numero di celle solari contenenti un materiale semiconduttore. I cavi solari in rame collegano moduli (cavo modulo), array (cavo array) e sottocampi. A causa della crescente domanda di fonti di energia rinnovabile , la produzione di celle solari e pannelli fotovoltaici è notevolmente avanzata negli ultimi anni.

Le celle richiedono protezione dall'ambiente e di solito sono imballate strettamente nei moduli solari.

La potenza del modulo fotovoltaico è misurata in condizioni di prova standard (STC) in "W p " ( watt di picco ). La potenza effettiva in un determinato luogo può essere inferiore o superiore a questo valore nominale, a seconda della posizione geografica, dell'ora del giorno, delle condizioni meteorologiche e di altri fattori. I fattori di capacità degli array fotovoltaici solari sono in genere inferiori al 25%, che è inferiore a molte altre fonti industriali di elettricità.

Efficienza delle celle solari

L'efficienza elettrica di una cella FV è una proprietà fisica che rappresenta la quantità di energia elettrica che una cella può produrre per un dato irraggiamento solare . L'espressione di base per la massima efficienza di una cella fotovoltaica è data dal rapporto tra la potenza in uscita e la potenza solare incidente (area dei tempi di flusso di radiazione)

L'efficienza viene misurata in condizioni di laboratorio ideali e rappresenta la massima efficienza ottenibile dalla cella o modulo FV. L'efficienza effettiva è influenzata da temperatura, irraggiamento e spettro.

L'efficienza di conversione dell'energia delle celle solari per il fotovoltaico disponibile in commercio è di circa il 14-22%. L'efficienza delle celle solari è solo del 6% per le celle solari a base di silicio amorfo. In ambienti sperimentali, è stata ottenuta un'efficienza del 44,0% con il fotovoltaico concentrato a più giunzioni sperimentali . Il produttore statunitense di arseniuro di gallio (GaAs) specializzato in fotovoltaico Alta Devices produce celle commerciali con un'efficienza del 26% affermando di avere la cella a giunzione singola "più efficiente al mondo" dedicata ad applicazioni flessibili e leggere. Per quanto riguarda le celle solari al silicio, l'azienda statunitense SunPower rimane leader con un'efficienza del modulo certificata del 22,8%, ben al di sopra della media di mercato del 15-18%. Tuttavia, le aziende concorrenti stanno recuperando terreno come il conglomerato sudcoreano LG (21,7% di efficienza) o il norvegese REC Group (21,7% di efficienza).

Per ottenere le migliori prestazioni, i sistemi fotovoltaici terrestri mirano a massimizzare il tempo in cui si trovano di fronte al sole. Gli inseguitori solari raggiungono questo obiettivo spostando i moduli fotovoltaici per seguire il sole. I sistemi montati statici possono essere ottimizzati mediante l'analisi del percorso del sole . I moduli fotovoltaici sono spesso impostati sull'inclinazione della latitudine, un angolo uguale alla latitudine , ma le prestazioni possono essere migliorate regolando l'angolo per l'estate o l'inverno. In generale, come con altri dispositivi a semiconduttore, temperature superiori alla temperatura ambiente riducono le prestazioni dei moduli fotovoltaici.

Convenzionalmente, l' elettricità generata in corrente continua (DC) dal solare fotovoltaico deve essere convertita in corrente alternata (AC) utilizzata nella rete elettrica, con una perdita media del 10% durante la conversione. Un'ulteriore perdita di efficienza si verifica nel passaggio alla corrente continua per i dispositivi e i veicoli alimentati a batteria.

Per la fabbricazione delle celle è necessaria anche una grande quantità di energia.

Effetto della temperatura

Le prestazioni di un modulo fotovoltaico dipendono dalle condizioni ambientali, principalmente dall'irraggiamento incidente globale G sul piano del modulo. Tuttavia, la temperatura T della giunzione p–n influenza anche i principali parametri elettrici: la corrente di cortocircuito ISC, la tensione a vuoto VOC e la potenza massima Pmax. I primi studi sul comportamento delle celle fotovoltaiche in condizioni variabili di G e T risalgono a diversi decenni fa.1-4 In generale, è noto che VOC mostra una significativa correlazione inversa con T, mentre per ISC tale correlazione è diretta, ma più debole, in modo che questo incremento non compensi la diminuzione dei VOC. Di conseguenza, Pmax si riduce all'aumentare di T. Questa correlazione tra la potenza di uscita di una cella solare e la sua temperatura di lavoro di giunzione dipende dal materiale semiconduttore,2 ed è dovuta all'influenza di T sulla concentrazione, la durata e la mobilità dei portatori intrinseci, cioè elettroni e lacune. , all'interno della cella FV.

La sensibilità alla temperatura è solitamente descritta da alcuni coefficienti di temperatura, ognuno dei quali esprime la derivata del parametro a cui si riferisce rispetto alla temperatura di giunzione. I valori di questi parametri possono essere trovati in qualsiasi scheda tecnica del modulo fotovoltaico; sono i seguenti:

– β Coefficiente di variazione di VOC rispetto a T, dato da ∂VOC/∂T.

– α Coefficiente di variazione di ISC rispetto a T, dato da ∂ISC/∂T.

– δ Coefficiente di variazione di Pmax rispetto a T, dato da ∂Pmax/∂T.

Le tecniche per la stima di questi coefficienti da dati sperimentali sono reperibili in letteratura. Pochi studi analizzano la variazione della resistenza in serie rispetto alla temperatura della cella o del modulo. Tale dipendenza viene studiata elaborando opportunamente la curva corrente-tensione. Il coefficiente di temperatura della resistenza in serie viene stimato utilizzando il modello a diodo singolo oa diodo doppio.

Produzione

Nel complesso, il processo di produzione per la creazione di pannelli solari fotovoltaici è semplice in quanto non richiede il culmine di molte parti complesse o mobili. A causa della natura allo stato solido dei sistemi fotovoltaici, spesso hanno una durata di vita relativamente lunga, compresa tra 10 e 30 anni. Per aumentare la potenza elettrica di un sistema fotovoltaico, il produttore deve semplicemente aggiungere più componenti fotovoltaici e per questo motivo le economie di scala sono importanti per i produttori poiché i costi diminuiscono con l'aumento della produzione.

Sebbene ci siano molti tipi di sistemi fotovoltaici noti per essere efficaci, il fotovoltaico in silicio cristallino ha rappresentato circa il 90% della produzione mondiale di fotovoltaico nel 2013. La produzione di sistemi fotovoltaici in silicio ha diverse fasi. Innanzitutto, il polisilicio viene lavorato dal quarzo estratto fino a quando non è molto puro (grado semiconduttore). Questo viene fuso quando vengono aggiunte piccole quantità di boro , un elemento del gruppo III, per creare un semiconduttore di tipo p ricco di lacune di elettroni. Usando tipicamente un seme di cristallo, un lingotto di questa soluzione viene fatto crescere dal liquido policristallino. Il lingotto può anche essere colato in uno stampo. I wafer di questo materiale semiconduttore vengono tagliati dal materiale sfuso con seghe a filo e quindi sottoposti a incisione superficiale prima di essere puliti. Successivamente, i wafer vengono posti in un forno di deposizione di vapore di fosforo che depone uno strato molto sottile di fosforo, un elemento del gruppo V, che crea una superficie semiconduttiva di tipo n. Per ridurre le perdite di energia, sulla superficie viene aggiunto un rivestimento antiriflesso, insieme ai contatti elettrici. Dopo aver terminato la cella, le celle vengono collegate tramite circuito elettrico in base all'applicazione specifica e preparate per la spedizione e l'installazione.

Costi ambientali di produzione

L'energia solare fotovoltaica non è interamente "energia pulita", la produzione produce emissioni di GHG (Green House Gas), i materiali utilizzati per costruire le celle sono potenzialmente insostenibili e alla fine si esauriranno, la tecnologia utilizza sostanze tossiche che causano inquinamento e non esistono tecnologie per il riciclaggio dei rifiuti solari. Per la produzione dei pannelli è necessaria una grande quantità di energia, la maggior parte della quale è ora prodotta da centrali a carbone in Cina. I dati necessari per indagare sul loro impatto sono talvolta affetti da una quantità piuttosto elevata di incertezza. I valori del lavoro umano e del consumo di acqua, ad esempio, non sono valutati con precisione a causa della mancanza di analisi sistematiche e accurate nella letteratura scientifica. Una difficoltà nel determinare gli impatti dovuti al fotovoltaico è determinare se i rifiuti vengono rilasciati nell'aria, nell'acqua o nel suolo durante la fase di produzione. Le valutazioni del ciclo di vita , che esaminano tutti i diversi impatti ambientali che vanno dal potenziale di riscaldamento globale , all'inquinamento, all'esaurimento dell'acqua e altri, non sono disponibili per il fotovoltaico. Invece, gli studi hanno cercato di stimare l'impatto e i potenziali impatti di vari tipi di fotovoltaico, ma queste stime sono generalmente limitate alla semplice valutazione dei costi energetici di produzione e/o trasporto , perché si tratta di nuove tecnologie e degli impatti ambientali totali dei loro componenti e metodi di smaltimento sono sconosciuti, anche per le celle solari di prima generazione disponibili in commercio , per non parlare dei prototipi sperimentali senza fattibilità commerciale.

Pertanto, le stime degli impatti ambientali del fotovoltaico si sono concentrate sugli equivalenti di anidride carbonica per kWh o tempo di ritorno dell'energia (EPBT). L'EPBT descrive l'intervallo di tempo necessario per il funzionamento di un sistema fotovoltaico per generare la stessa quantità di energia utilizzata per la sua fabbricazione. Un altro studio include i costi energetici dei trasporti nell'EPBT. L'EPBT è stato anche definito in modo completamente diverso come "il tempo necessario per compensare l'energia primaria totale rinnovabile e non rinnovabile richiesta durante il ciclo di vita di un sistema fotovoltaico" in un altro studio, che includeva anche i costi di installazione. Questo ammortamento energetico, espresso in anni, è indicato anche come tempo di ritorno dell'energia di pareggio . Più basso è l'EPBT, minore è il costo ambientale dell'energia solare. L'EPBT dipende molto dal luogo in cui è installato l'impianto fotovoltaico (es. quantità di luce solare disponibile e efficienza della rete elettrica) e dal tipo di impianto, ovvero i componenti dell'impianto.

Una revisione del 2015 delle stime EPBT del fotovoltaico di prima e seconda generazione ha suggerito che c'era una maggiore variazione nell'energia incorporata rispetto all'efficienza delle celle, il che implica che era principalmente l'energia incorporata che doveva essere ridotta per avere una maggiore riduzione dell'EPBT.

Per la produzione dei pannelli è necessaria una grande quantità di energia. In generale, il componente più importante dei pannelli solari, che rappresenta gran parte del consumo energetico e delle emissioni di gas serra, è la raffinazione del polisilicio. La Cina è la fonte della maggior parte del polisilicio nel mondo, la maggior parte prodotta nello Xinjiang utilizzando l'energia prodotta da centrali a carbone. Quanto a quanta percentuale di EPBT questo silicio dipende dal tipo di sistema. Un sistema completamente autarchico richiede componenti aggiuntivi ("Balance of System", inverter di potenza , storage, ecc.) che aumentano significativamente il costo energetico di produzione, ma in un semplice sistema su tetto circa il 90% del costo energetico deriva dal silicio, con il resto proveniente dagli inverter e dal telaio del modulo.

In un'analisi di Alsema et al . dal 1998, il tempo di ammortamento energetico era superiore a 10 anni per il sistema precedente nel 1997, mentre per un sistema su tetto standard l'EPBT è stato calcolato tra 3,5 e 8 anni.

L'EPBT è strettamente correlato ai concetti di guadagno netto di energia (NEG) ed energia restituita sull'energia investita (EROI). Sono entrambi utilizzati nell'economia energetica e si riferiscono alla differenza tra l'energia spesa per raccogliere una fonte di energia e la quantità di energia ottenuta da quel raccolto. Il NEG e l'EROI tengono conto anche della durata di esercizio di un impianto fotovoltaico e in genere si presume una vita utile compresa tra 25 e 30 anni. Da queste metriche, l' Energy payback Time può essere derivato mediante calcolo.

Miglioramenti dell'EPBT

I sistemi fotovoltaici che utilizzano silicio cristallino, di gran lunga la maggior parte dei sistemi in uso pratico, hanno un EPBT così alto perché il silicio è prodotto dalla riduzione della sabbia di quarzo di alta qualità nei forni elettrici . Questo processo di fusione a coke avviene ad alte temperature di oltre 1000 °C ed è molto energivoro, utilizzando circa 11 chilowattora (kWh) per chilogrammo di silicio prodotto. Il fabbisogno energetico di questo processo rende il costo energetico per unità di silicio prodotto relativamente anelastico, il che significa che il processo di produzione stesso non diventerà più efficiente in futuro.

Tuttavia, il tempo di ammortamento energetico si è notevolmente ridotto negli ultimi anni, poiché le celle di silicio cristallino sono diventate sempre più efficienti nella conversione della luce solare, mentre lo spessore del materiale del wafer è stato costantemente ridotto e quindi ha richiesto meno silicio per la sua fabbricazione. Negli ultimi dieci anni, la quantità di silicio utilizzata per le celle solari è scesa da 16 a 6 grammi per watt di picco . Nello stesso periodo, lo spessore di un wafer di c-Si è stato ridotto da 300 μm, o micron , a circa 160-190 μm. I wafer di silicio cristallino hanno oggi solo il 40% di spessore rispetto a quelli del 1990, quando erano circa 400 μm. Anche le tecniche di taglio che tagliano i lingotti di silicio cristallino in wafer sono migliorate riducendo la perdita di taglio e rendendo più facile il riciclaggio della segatura di silicio.

Parametri chiave per l'efficienza dei materiali e dell'energia
Parametro Mono-Si CdTe
Efficienza cellulare 16,5% 15,6%
Ridurre l'efficienza della cella rispetto al modulo 8,5% 13,9%
Efficienza del modulo 15,1% 13,4%
Spessore del wafer/spessore dello strato 190 micron 4,0 micron
Perdita di taglio 190 micron
Argento per cella 9,6 g / m 2
Spessore del vetro 4,0 mm 3,5 mm
Durata operativa 30 anni 30 anni
Fonte: IEA-PVPS , Life Cycle Assessment, marzo 2015

Impatti del fotovoltaico di prima generazione

I moduli in silicio cristallino sono il tipo FV più studiato in termini di LCA poiché sono i più comunemente usati. Gli impianti fotovoltaici in silicio monocristallino (mono-si) hanno un'efficienza media del 14,0%. Le celle tendono a seguire una struttura di elettrodo anteriore, pellicola antiriflesso, strato n, strato p e elettrodo posteriore, con il sole che colpisce l'elettrodo anteriore. EPBT varia da 1,7 a 2,7 anni. La culla al cancello di CO 2 -eq/kWh varia da 37,3 a 72,2 grammi.

Le tecniche per produrre celle fotovoltaiche in silicio multicristallino (multi-si) sono più semplici ed economiche di quelle mono-si, tuttavia tendono a produrre celle meno efficienti, in media del 13,2%. EPBT varia da 1,5 a 2,6 anni. La culla al cancello di CO 2 -eq/kWh varia da 28,5 a 69 grammi.

Supponendo che i seguenti paesi avessero un'infrastruttura di rete di alta qualità come in Europa, nel 2020 è stato calcolato che ci sarebbero voluti 1,28 anni a Ottawa , in Canada , affinché un sistema fotovoltaico sul tetto produca la stessa quantità di energia necessaria per produrre il silicio nei moduli in esso (esclusi argento, vetro, montature e altri componenti), 0,97 anni a Catania , Italia , e 0,4 anni a Jaipur , India . Al di fuori dell'Europa, dove le efficienze nette della rete sono inferiori, ci vorrebbe più tempo. Questo " tempo di ritorno dell'energia " può essere visto come la porzione di tempo durante la vita utile del modulo in cui la produzione di energia è inquinante. Nella migliore delle ipotesi, questo significa che un pannello di 30 anni ha prodotto energia pulita per il 97% della sua vita, o che il silicio nei moduli in un pannello solare produce il 97% in meno di emissioni di gas serra rispetto a un impianto a carbone per lo stesso quantità di energia (assumendo e ignorando molte cose). Alcuni studi hanno guardato oltre EPBT e GWP ad altri impatti ambientali. In uno di questi studi, il mix energetico convenzionale in Grecia è stato confrontato con il fotovoltaico multisito e ha riscontrato una riduzione complessiva del 95% degli impatti, inclusi agenti cancerogeni, ecotossicità, acidificazione, eutrofizzazione e altri undici.

Impatti della seconda generazione

Il tellururo di cadmio (CdTe) è una delle celle solari a film sottile in più rapida crescita, note collettivamente come dispositivi di seconda generazione. Questo nuovo dispositivo a film sottile condivide anche limitazioni di prestazioni simili ( limite di efficienza Shockley-Queisser ) come dispositivi convenzionali Si ma promette di ridurre il costo di ciascun dispositivo riducendo sia il consumo di materiale che di energia durante la produzione. La quota di mercato globale di CdTe è stata del 4,7% nel 2008. La massima efficienza di conversione di potenza di questa tecnologia è del 21%. La struttura della cella comprende un substrato di vetro (circa 2 mm), uno strato conduttore trasparente, uno strato tampone CdS (50-150 nm), un assorbitore CdTe e uno strato di contatto metallico.

I sistemi fotovoltaici CdTe richiedono meno energia nella loro produzione rispetto ad altri sistemi fotovoltaici commerciali per unità di produzione di elettricità. La media di CO 2 -eq/kWh è di circa 18 grammi (dalla culla al cancello). CdTe ha l'EPBT più veloce di tutte le tecnologie fotovoltaiche commerciali, che varia tra 0,3 e 1,2 anni.

Tecnologie sperimentali

Il fotovoltaico al silicio cristallino è solo un tipo di fotovoltaico e, sebbene rappresentino la maggior parte delle celle solari prodotte attualmente, ci sono molte nuove e promettenti tecnologie che hanno il potenziale per essere scalate per soddisfare le future esigenze energetiche. A partire dal 2018, la tecnologia delle celle al silicio cristallino funge da base per diversi tipi di moduli fotovoltaici, inclusi monocristallini, multicristallini, mono PERC e bifacciali.

Un'altra tecnologia più recente, il fotovoltaico a film sottile, è prodotto depositando strati semiconduttori di perovskite , un minerale con proprietà semiconduttrici, su un substrato sotto vuoto. Il substrato è spesso vetro o acciaio inossidabile e questi strati semiconduttori sono realizzati con molti tipi di materiali tra cui tellururo di cadmio (CdTe), diseleniuro di rame indio (CIS), diseleniuro di rame indio gallio (CIGS) e silicio amorfo (a-Si ). Dopo essere stati depositati sul substrato, gli strati semiconduttori vengono separati e collegati mediante circuito elettrico mediante incisione laser. Le celle solari in perovskite sono un convertitore di energia solare molto efficiente e hanno eccellenti proprietà optoelettroniche per scopi fotovoltaici, ma il loro passaggio da celle di dimensioni da laboratorio a moduli di grandi dimensioni è ancora in fase di ricerca. I materiali fotovoltaici a film sottile potrebbero diventare attraenti in futuro, a causa dei ridotti requisiti di materiali e dei costi per la produzione di moduli costituiti da film sottili rispetto ai wafer a base di silicio. Nel 2019 i laboratori universitari di Oxford, Stanford e altrove hanno riportato celle solari in perovskite con efficienze del 20-25%.

Altre possibili tecnologie fotovoltaiche future includono il fotovoltaico organico, sensibilizzato a colorante e quantum-dot. I fotovoltaici organici (OPV) rientrano nella categoria di produzione a film sottile e in genere operano intorno all'intervallo di efficienza del 12%, che è inferiore al 12-21% tipicamente visto dai fotovoltaici a base di silicio. Poiché i fotovoltaici organici richiedono una purezza molto elevata e sono relativamente reattivi, devono essere incapsulati, il che aumenta notevolmente i costi di produzione e il che significa che non sono fattibili su larga scala. I PV sensibilizzati al colorante sono simili in termini di efficienza agli OPV ma sono significativamente più facili da produrre. Tuttavia, questi fotovoltaici sensibilizzati al colorante presentano problemi di stoccaggio perché l'elettrolita liquido è tossico e può potenzialmente permeare la plastica utilizzata nella cella. Le celle solari a punti quantici vengono elaborate in soluzione, il che significa che sono potenzialmente scalabili, ma attualmente raggiungono un picco di efficienza del 12%.

Il seleniuro di gallio e indio di rame (CIGS) è una cella solare a film sottile basata sulla famiglia di semiconduttori di calcopirite diseleniuro di indio e rame (CIS) . CIS e CIGS sono spesso usati in modo intercambiabile all'interno della comunità CIS/CIGS. La struttura cellulare comprende vetro sodico calcico come substrato, strato di Mo come contatto posteriore, CIS/CIGS come strato assorbente, solfuro di cadmio (CdS) o Zn (S,OH)x come strato tampone e ZnO:Al come strato contatto frontale. CIGS è circa 1/100 dello spessore delle tecnologie convenzionali delle celle solari al silicio. I materiali necessari per l'assemblaggio sono facilmente disponibili e sono meno costosi per watt di cella solare. I dispositivi solari basati su CIGS resistono al degrado delle prestazioni nel tempo e sono altamente stabili sul campo.

Gli impatti potenziali riportati sul riscaldamento globale della CIGS vanno da 20,5 a 58,8 grammi di CO 2 -eq/kWh di elettricità generata per diversi irraggiamento solare (da 1.700 a 2.200 kWh/m 2 /a) ed efficienza di conversione dell'energia (7,8 – 9,12%). EPBT varia da 0,2 a 1,4 anni, mentre il valore armonizzato di EPBT è stato trovato 1,393 anni. La tossicità è un problema all'interno dello strato tampone dei moduli CIGS perché contiene cadmio e gallio. I moduli CIS non contengono metalli pesanti.

I fotovoltaici di terza generazione sono progettati per combinare i vantaggi sia dei dispositivi di prima che di seconda generazione e non hanno il limite di Shockley-Queisser , un limite teorico per le celle fotovoltaiche di prima e seconda generazione. Lo spessore di un dispositivo di terza generazione è inferiore a 1 μm.

Una tecnologia alternativa emergente e promettente si basa su una cella solare ibrida organica-inorganica composta da perovskiti di alogenuro di piombo e metilammonio. Le celle fotovoltaiche in perovskite sono progredite rapidamente negli ultimi anni e sono diventate una delle aree più interessanti per la ricerca sul fotovoltaico. La struttura della cella include un contatto posteriore metallico (che può essere fatto di Al, Au o Ag), uno strato di trasferimento del foro (spiro-MeOTAD, P3HT, PTAA, CuSCN, CuI o NiO) e uno strato assorbente (CH 3 NH 3 PbIxBr 3 -x, CH 3 NH 3 PbIxCl 3 -x o CH 3 NH 3 PbI 3 ), uno strato di trasporto degli elettroni (TiO, ZnO, Al 2 O 3 o SnO 2 ) e uno strato di contatto superiore (ossido di stagno drogato con fluoro o ossido di indio drogato con stagno).

Esiste un numero limitato di studi pubblicati per affrontare gli impatti ambientali delle celle solari in perovskite. La principale preoccupazione ambientale è il piombo utilizzato nello strato assorbente. A causa dell'instabilità delle celle di perovskite, il piombo può eventualmente essere esposto ad acqua dolce durante la fase di utilizzo. Questi studi LCA hanno esaminato l'uomo e l'ecotossicità delle celle solari perovskite e hanno scoperto che erano sorprendentemente bassi e potrebbero non essere un problema ambientale. Il potenziale di riscaldamento globale dei fotovoltaici in perovskite è risultato essere compreso tra 24 e 1500 grammi di produzione di elettricità di CO 2 -eq/kWh. Allo stesso modo, l'EPBT riportato dell'articolo pubblicato varia da 0,2 a 15 anni. L'ampia gamma di valori riportati evidenzia le incertezze associate a questi studi. Celik et al. (2016) hanno discusso in modo critico le ipotesi fatte negli studi LCA PV perovskite.

Due nuove promettenti tecnologie a film sottile sono il solfuro di rame zinco stagno (Cu 2 ZnSnS 4 o CZTS), il fosfuro di zinco (Zn 3 P 2 ) e i nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT). Questi film sottili sono attualmente prodotti solo in laboratorio ma potrebbero essere commercializzati in futuro. Si prevede che i processi di produzione di CZTS e (Zn 3 P 2 ) saranno simili a quelli delle attuali tecnologie a film sottile di CIGS e CdTe, rispettivamente. Mentre lo strato assorbente di SWCNT PV dovrebbe essere sintetizzato con il metodo CoMoCAT. Contrariamente ai film sottili affermati come CIGS e CdTe, CZTS, Zn 3 P 2 e SWCNT, i fotovoltaici sono realizzati con materiali abbondanti e non tossici e hanno il potenziale per produrre più elettricità all'anno rispetto all'attuale consumo mondiale. Mentre CZTS e Zn 3 P 2 offrono buone promesse per questi motivi, le specifiche implicazioni ambientali della loro produzione commerciale non sono ancora note. Il potenziale di riscaldamento globale di CZTS e Zn 3 P 2 è stato trovato a 38 e 30 grammi di CO 2 -eq/kWh mentre il loro corrispondente EPBT è stato trovato rispettivamente a 1,85 e 0,78 anni. Nel complesso, CdTe e Zn 3 P 2 hanno impatti ambientali simili ma possono leggermente superare CIGS e CZTS. Uno studio sugli impatti ambientali dei fotovoltaici SWCNT di Celik et al., incluso un dispositivo esistente efficiente all'1% e un dispositivo teorico efficiente al 28%, ha rilevato che, rispetto al Si monocristallino, l'impatto ambientale dell'1% SWCNT era ∼18 volte superiore a causa principalmente alla breve durata di tre anni.

Il fotovoltaico organico e polimerico (OPV) è un'area di ricerca relativamente nuova. Gli strati della struttura delle celle OPV tradizionali sono costituiti da un elettrodo semitrasparente, strato di blocco degli elettroni, giunzione a tunnel, strato di blocco dei fori, elettrodo, con il sole che colpisce l'elettrodo trasparente. L'OPV sostituisce l'argento con il carbonio come materiale per elettrodi riducendo i costi di produzione e rendendoli più rispettosi dell'ambiente. Gli OPV sono flessibili, di peso ridotto e funzionano bene con la produzione roll-to-roll per la produzione di massa. OPV utilizza "solo elementi abbondanti accoppiati a un'energia incorporata estremamente bassa attraverso temperature di lavorazione molto basse utilizzando solo condizioni di lavorazione ambientali su semplici apparecchiature di stampa che consentono tempi di ritorno dell'energia". Le efficienze attuali vanno dall'1 al 6,5%, tuttavia le analisi teoriche mostrano una promessa oltre il 10% di efficienza.

Esistono molte diverse configurazioni di OPV che utilizzano materiali diversi per ogni strato. La tecnologia OPV rivaleggia con le tecnologie FV esistenti in termini di EPBT anche se attualmente presentano una durata operativa più breve. Uno studio del 2013 ha analizzato 12 diverse configurazioni tutte con un'efficienza del 2%, l'EPBT variava da 0,29 a 0,52 anni per 1 m 2 di fotovoltaico. La media di CO 2 -eq/kWh per OPV è di 54,922 grammi.

Dove la terra può essere limitata, il fotovoltaico può essere utilizzato come solare galleggiante . Nel 2008 l'azienda vinicola Far Niente ha aperto la strada al primo sistema "floatovoltaico" al mondo installando 994 pannelli solari fotovoltaici su 130 pontoni e facendoli galleggiare sul laghetto di irrigazione dell'azienda. Un vantaggio della configurazione è che i pannelli vengono mantenuti a una temperatura inferiore rispetto a quella che avrebbero a terra, portando a una maggiore efficienza della conversione dell'energia solare. I pannelli galleggianti riducono anche la quantità di acqua persa per evaporazione e inibiscono la crescita delle alghe.

Il fotovoltaico a concentrazione è una tecnologia che, contrariamente ai tradizionali sistemi fotovoltaici a piastra piatta, utilizza lenti e specchi curvi per concentrare la luce solare su celle solari multi-giunzione piccole ma altamente efficienti . Questi sistemi a volte utilizzano inseguitori solari e un sistema di raffreddamento per aumentare la loro efficienza.

Economia

Fonte: Apricus

Nel corso degli anni ci sono stati importanti cambiamenti nei costi sottostanti, nella struttura del settore e nei prezzi di mercato della tecnologia solare fotovoltaica e ottenere un quadro coerente dei cambiamenti che si verificano lungo la catena del valore del settore a livello globale è una sfida. Ciò è dovuto a: "la rapidità delle variazioni dei costi e dei prezzi, la complessità della catena di fornitura del fotovoltaico, che coinvolge un gran numero di processi produttivi, l'equilibrio dei costi di sistema (BOS) e di installazione associati a sistemi fotovoltaici completi, la scelta di diversi canali di distribuzione e differenze tra i mercati regionali all'interno dei quali viene utilizzato il fotovoltaico". Ulteriori complessità derivano dalle numerose e diverse iniziative di sostegno politico che sono state messe in atto per facilitare la commercializzazione del fotovoltaico in vari paesi.

Le tecnologie per l'energia rinnovabile sono generalmente diventate più economiche dalla loro invenzione. I sistemi di energia rinnovabile sono diventati più economici da costruire rispetto alle centrali elettriche a combustibili fossili in gran parte del mondo, grazie in particolare ai progressi nella tecnologia dell'energia eolica e solare.

Costi dell'hardware

Storia del prezzo per watt delle celle solari convenzionali ( c-Si ) dal 1977.

Nel 1977 i prezzi delle celle solari in silicio cristallino erano di $ 76,67/W.

Sebbene i prezzi dei moduli all'ingrosso siano rimasti stabili a circa $ 3,50 a $ 4,00/W nei primi anni 2000 a causa dell'elevata domanda in Germania e Spagna garantita da generosi sussidi e dalla carenza di polisilicio, la domanda è crollata con la brusca fine dei sussidi spagnoli dopo il crollo del mercato del 2008, e il prezzo è sceso rapidamente a $ 2,00/W. I produttori sono stati in grado di mantenere un margine operativo positivo nonostante un calo del 50% dei ricavi dovuto all'innovazione e alla riduzione dei costi. Alla fine del 2011, i prezzi di fabbrica per i moduli fotovoltaici in silicio cristallino sono improvvisamente scesi al di sotto della soglia di $ 1,00/W, cogliendo di sorpresa molti operatori del settore e causando il fallimento di numerose aziende produttrici di energia solare in tutto il mondo. Il costo di $ 1,00/W è spesso considerato nel settore del fotovoltaico come il raggiungimento della parità di rete per il fotovoltaico, ma la maggior parte degli esperti non crede che questo prezzo sia sostenibile. I progressi tecnologici, i miglioramenti dei processi di produzione e la ristrutturazione del settore possono significare che sono possibili ulteriori riduzioni dei prezzi. Il prezzo medio al dettaglio delle celle solari monitorato dal gruppo Solarbuzz è sceso da $ 3,50/watt a $ 2,43/watt nel corso del 2011. Nel 2013 i prezzi all'ingrosso sono scesi a $ 0,74/W. Questo è stato citato come prova a sostegno della " legge di Swanson ", un'osservazione simile alla famosa legge di Moore , che afferma che i prezzi delle celle solari scendono del 20% per ogni raddoppio della capacità industriale. Il Fraunhofer Institute definisce il "tasso di apprendimento" come il calo dei prezzi al raddoppiare della produzione cumulativa, circa il 25% tra il 1980 e il 2010. Sebbene i prezzi dei moduli siano diminuiti rapidamente, i prezzi attuali degli inverter sono diminuiti a un ritmo molto più basso, e in Il 2019 costituisce oltre il 61% del costo per kWp, da un quarto nei primi anni 2000.

Si noti che i prezzi sopra menzionati sono per i moduli nudi, un altro modo di guardare i prezzi dei moduli è includere i costi di installazione. Negli Stati Uniti, secondo la Solar Energy Industries Association, il prezzo dei moduli fotovoltaici installati sul tetto per i proprietari di case è sceso da $ 9,00/W nel 2006 a $ 5,46/W nel 2011. Compresi i prezzi pagati dagli impianti industriali, il prezzo nazionale installato scende a $ 3,45 /W. Questo è nettamente più alto che altrove nel mondo, in Germania le installazioni sui tetti dei proprietari di case hanno una media di $ 2,24/W. Si pensa che le differenze di costo siano principalmente basate sull'onere normativo più elevato e sulla mancanza di una politica solare nazionale negli Stati Uniti.

Alla fine del 2012 i produttori cinesi avevano costi di produzione di $ 0,50/W nei moduli più economici. In alcuni mercati i distributori di questi moduli possono guadagnare un margine considerevole, acquistando al prezzo di fabbrica e vendendo al prezzo più alto che il mercato può sostenere ("prezzo basato sul valore").

In California il fotovoltaico ha raggiunto la parità di rete nel 2011, che è solitamente definita come costi di produzione fotovoltaici pari o inferiori ai prezzi dell'elettricità al dettaglio (sebbene spesso ancora al di sopra dei prezzi delle centrali elettriche per la generazione a carbone o gas senza la loro distribuzione e altri costi). La grid parity è stata raggiunta in 19 mercati nel 2014.

Costo dell'elettricità livellato

Il costo livellato dell'elettricità (LCOE) è il costo per kWh basato sui costi distribuiti durante la durata del progetto e si ritiene che sia una metrica migliore per il calcolo della redditività rispetto al prezzo per wattaggio. Gli LCOE variano notevolmente a seconda della posizione. L'LCOE può essere considerato il prezzo minimo che i clienti dovranno pagare alla società di servizi pubblici per poter raggiungere il pareggio sull'investimento in una nuova centrale elettrica. La parità di rete viene raggiunta approssimativamente quando l'LCOE scende a un prezzo simile ai prezzi di rete locali convenzionali, sebbene in realtà i calcoli non siano direttamente confrontabili. Le grandi installazioni fotovoltaiche industriali avevano raggiunto la parità di rete in California nel 2011. Si credeva che la parità di rete per i sistemi sui tetti fosse ancora molto più lontana in questo momento. Molti calcoli LCOE non sono considerati accurati e sono necessarie molte ipotesi. I prezzi dei moduli potrebbero scendere ulteriormente e l'LCOE per il solare potrebbe diminuire di conseguenza in futuro.

Poiché la domanda di energia aumenta e diminuisce nel corso della giornata e l'energia solare è limitata dal fatto che il sole tramonta, le società di energia solare devono anche tenere conto dei costi aggiuntivi per fornire alla rete una fornitura di energia alternativa più stabile al fine di stabilizzare il sistema o immagazzinare l'energia in qualche modo (l'attuale tecnologia delle batterie non può immagazzinare energia sufficiente). Questi costi non sono presi in considerazione nei calcoli LCOE, né sono sussidi o premi speciali che possono rendere più attraente l'acquisto di energia solare. L'inaffidabilità e la variazione temporale nella generazione di energia solare ed eolica è un grosso problema. Troppe di queste fonti di energia volatili possono causare instabilità dell'intera rete.

A partire dal 2017 i prezzi del contratto di acquisto di energia per i parchi solari inferiori a $ 0,05/kWh sono comuni negli Stati Uniti e le offerte più basse in alcuni paesi del Golfo Persico erano di circa $ 0,03/kWh. L'obiettivo del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti è raggiungere un costo livellato dell'energia per il solare fotovoltaico di $ 0,03/kWh per le società di servizi.

Sussidi e finanziamenti

Incentivi finanziari per il fotovoltaico , come le tariffe incentivanti (FIT), sono spesso offerti ai consumatori di elettricità per installare e far funzionare sistemi di generazione di energia solare, e in alcuni paesi tali sussidi sono l'unico modo in cui il fotovoltaico può rimanere economicamente redditizio. In Germania i sussidi FIT sono generalmente di circa 0,13 € al di sopra del normale prezzo al dettaglio di un kWh (0,05). I FIT PV sono stati cruciali per l'adozione del settore e sono disponibili per i consumatori in oltre 50 paesi a partire dal 2011. Germania e Spagna sono stati i paesi più importanti per quanto riguarda l'offerta di sussidi per il fotovoltaico e le politiche di questi paesi hanno guidato la domanda in il passato. Alcune aziende produttrici di celle solari statunitensi si sono ripetutamente lamentate del fatto che il calo dei prezzi dei costi dei moduli fotovoltaici è stato ottenuto a causa dei sussidi del governo cinese e del dumping di questi prodotti al di sotto dei prezzi di mercato equi. I produttori statunitensi generalmente raccomandano tariffe elevate sulle forniture estere per consentire loro di rimanere redditizi. In risposta a queste preoccupazioni, l'amministrazione Obama ha iniziato a imporre tariffe sui consumatori statunitensi di questi prodotti nel 2012 per aumentare i prezzi per i produttori nazionali. Sotto l'amministrazione Trump, il governo degli Stati Uniti ha imposto ulteriori dazi ai consumatori statunitensi per limitare il commercio di moduli solari. Gli Stati Uniti, tuttavia, sovvenzionano anche l'industria, offrendo ai consumatori un credito d'imposta federale del 30% per l'acquisto dei moduli. Nelle Hawaii i sussidi federali e statali riducono fino a due terzi dei costi di installazione.

Alcuni ambientalisti hanno promosso l'idea che gli incentivi governativi dovrebbero essere utilizzati per espandere l'industria manifatturiera del fotovoltaico per ridurre i costi dell'elettricità generata dal fotovoltaico molto più rapidamente a un livello in cui è in grado di competere con i combustibili fossili in un mercato libero. Questo si basa sulla teoria che quando la capacità produttiva raddoppia, le economie di scala faranno dimezzare i prezzi dei prodotti solari.

In molti paesi manca l'accesso al capitale per sviluppare progetti fotovoltaici. Per risolvere questo problema, è stata proposta la cartolarizzazione per accelerare lo sviluppo di progetti solari fotovoltaici. Ad esempio, SolarCity ha offerto la prima sicurezza garantita da asset negli Stati Uniti nel settore solare nel 2013.

Altro

L'energia fotovoltaica viene generata anche in un'ora del giorno prossima al picco di domanda (lo precede) negli impianti elettrici con un elevato utilizzo di aria condizionata. Poiché il funzionamento del fotovoltaico su larga scala richiede un backup sotto forma di riserve rotanti, il suo costo marginale di generazione a metà giornata è in genere più basso, ma non zero, quando il fotovoltaico sta generando elettricità. Questo può essere visto nella Figura 1 di questo documento:. Per le proprietà residenziali con impianti fotovoltaici privati ​​collegati alla rete, il proprietario può guadagnare denaro extra quando è incluso il tempo di generazione, poiché l'elettricità vale più durante il giorno che di notte.

Un giornalista ha teorizzato nel 2012 che se le bollette energetiche degli americani fossero state forzate verso l'alto imponendo una tassa aggiuntiva di 50 $/ton sulle emissioni di anidride carbonica da energia a carbone, ciò avrebbe potuto consentire al fotovoltaico solare di apparire più competitivo in termini di costi per i consumatori nella maggior parte posizioni.

Crescita

Crescita mondiale del fotovoltaico su un terreno semi-troncato dal 1992

Il solare fotovoltaico ha costituito il più grande corpo di ricerca tra i sette tipi di energia sostenibile esaminati in uno studio bibliometrico globale , con la produzione scientifica annuale che è passata da 9.094 pubblicazioni nel 2011 a 14.447 pubblicazioni nel 2019.

Allo stesso modo, l'applicazione del solare fotovoltaico sta crescendo rapidamente e la capacità installata mondiale ha raggiunto circa 515 gigawatt (GW) entro il 2018. La potenza totale prodotta dalla capacità fotovoltaica mondiale in un anno solare è ora superiore a 500 TWh di elettricità. Questo rappresenta il 2% della domanda mondiale di elettricità. Più di 100 paesi utilizzano il solare fotovoltaico. La Cina è seguita da Stati Uniti e Giappone , mentre rallentano le installazioni in Germania , un tempo primo produttore mondiale.

L'Honduras ha generato la percentuale più alta della sua energia dal solare nel 2019, il 14,8%. A partire dal 2019, il Vietnam ha la più alta capacità installata nel sud-est asiatico, circa 4,5 GW. Il tasso di installazione annualizzato di circa 90 W pro capite all'anno pone il Vietnam tra i leader mondiali. La generosa tariffa incentivante (FIT) e le politiche di sostegno del governo come le esenzioni fiscali sono state la chiave per consentire il boom del solare fotovoltaico in Vietnam. I driver sottostanti includono il desiderio del governo di migliorare l'autosufficienza energetica e la domanda del pubblico per la qualità ambientale locale.

Un ostacolo fondamentale è la capacità limitata della rete di trasmissione.

La Cina ha la più grande capacità di energia solare del mondo, con 253 GW di capacità installata alla fine del 2020 rispetto ai circa 151 GW dell'Unione Europea, secondo i dati dell'Agenzia Internazionale per l'Energia. ( https://www.reuters.com/business/energy/china-add-55-65-gw-solar-power-capacity-2021-industry-body-2021-07-22/ )

I primi 10 paesi FV nel 2019 (MW)
Potenza solare installata e totale nel 2019 (MW)
# Nazione Capacità totale Capacità aggiunta
1 Cina Cina 204,700 30,100
2 stati Uniti stati Uniti 75.900 13.300
3 Giappone Giappone 63.000 7.000
4 Germania Germania 49.200 3.900
5 India India 42.800 9.900
6 Italia Italia 20.800 600
7 Australia Australia 15.928 3.700
8 Regno Unito Regno Unito 13.300 233
9 Corea del Sud Corea del Sud 11.200 3.100
10 Francia Francia 9.900 900

Dati: IEA-PVPS Snapshot of Global PV Markets 2020 report, aprile 2020 Vedi anche Energia solare per paese per un elenco completo e continuamente aggiornato

Nel 2017 si riteneva probabile che entro il 2030 le capacità installate fotovoltaiche globali potrebbero essere comprese tra 3.000 e 10.000 GW. Greenpeace nel 2010 ha affermato che 1.845 GW di impianti fotovoltaici in tutto il mondo potrebbero generare circa 2.646 TWh/anno di elettricità entro il 2030 e che entro il 2050 oltre il 20% di tutta l'elettricità potrebbe essere fornita dal fotovoltaico.

Applicazioni

Impianti fotovoltaici

Un sistema fotovoltaico, o sistema solare fotovoltaico, è un sistema di alimentazione progettato per fornire energia solare utilizzabile tramite fotovoltaico. Consiste in una disposizione di diversi componenti, inclusi pannelli solari per assorbire e convertire direttamente la luce solare in elettricità, un inverter solare per cambiare la corrente elettrica da CC a CA, nonché montaggio, cablaggio e altri accessori elettrici. I sistemi fotovoltaici vanno da piccoli sistemi montati sul tetto o integrati nell'edificio con capacità da poche a diverse decine di kilowatt , fino a grandi centrali elettriche di centinaia di megawatt . Al giorno d'oggi, la maggior parte dei sistemi fotovoltaici è connessa alla rete , mentre i sistemi stand-alone rappresentano solo una piccola parte del mercato.

  • Sistemi integrati per tetti e edifici
Fotovoltaico sul tetto su casa a graticcio
Gli array fotovoltaici sono spesso associati agli edifici: integrati in essi, montati su di essi o montati vicino al suolo. I sistemi fotovoltaici sul tetto sono più spesso adattati a edifici esistenti, solitamente montati sopra la struttura del tetto esistente o sulle pareti esistenti. In alternativa, un array può essere posizionato separatamente dall'edificio ma collegato tramite cavo per fornire alimentazione all'edificio. Il fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) è sempre più incorporato nel tetto o nelle pareti di nuovi edifici domestici e industriali come fonte principale o ausiliaria di energia elettrica. Talvolta vengono utilizzate anche tegole con celle fotovoltaiche integrate. A condizione che vi sia un'intercapedine aperta in cui l'aria possa circolare, i pannelli solari montati sul tetto possono fornire un effetto di raffreddamento passivo sugli edifici durante il giorno e anche mantenere il calore accumulato durante la notte. In genere, i sistemi su tetto residenziali hanno piccole capacità di circa 5-10 kW, mentre i sistemi su tetto commerciali spesso ammontano a diverse centinaia di kilowatt. Sebbene i sistemi su tetto siano molto più piccoli delle centrali elettriche su scala di servizio montate a terra, rappresentano la maggior parte della capacità installata a livello mondiale.
  • Collettore solare termico ibrido fotovoltaico
I collettori solari termici ibridi fotovoltaici (PVT) sono sistemi che convertono la radiazione solare in energia termica ed elettrica. Questi sistemi combinano una cella solare FV, che converte la luce solare in elettricità, con un collettore solare termico , che cattura l'energia rimanente e rimuove il calore di scarto dal modulo FV. La cattura di elettricità e calore consente a questi dispositivi di avere una maggiore exergia e quindi di essere complessivamente più efficienti dal punto di vista energetico rispetto al solare fotovoltaico o al solo solare termico.
  • Centrali elettriche
Immagine satellitare del Topaz Solar Farm
Molti parchi solari su larga scala sono stati costruiti in tutto il mondo. Nel 2011 è stato proposto il progetto Solar Star da 579 megawatt (MW AC ) , cui seguiranno in futuro la Desert Sunlight Solar Farm e la Topaz Solar Farm , entrambe con una capacità di 550 MW AC , che saranno costruite dalla società statunitense First Solar , utilizzando moduli CdTe , una tecnologia fotovoltaica a film sottile . Tutte e tre le centrali saranno situate nel deserto californiano. Quando il progetto Solar Star è stato completato nel 2015, all'epoca era la più grande centrale fotovoltaica del mondo.
  • Agrivoltaico
In tutto il mondo sono stati istituiti numerosi parchi solari sperimentali che tentano di integrare la produzione di energia solare con l'agricoltura . Un produttore italiano ha promosso un progetto che traccia il percorso quotidiano del sole nel cielo per generare più elettricità rispetto ai tradizionali sistemi fissi.
  • Elettrificazione rurale
I paesi in via di sviluppo in cui molti villaggi sono spesso a più di cinque chilometri di distanza dalla rete elettrica utilizzano sempre più il fotovoltaico. In località remote dell'India un programma di illuminazione rurale ha fornito illuminazione a LED a energia solare per sostituire le lampade a cherosene. Le lampade a energia solare sono state vendute a circa il costo di alcuni mesi di fornitura di cherosene. Cuba sta lavorando per fornire energia solare alle aree fuori rete. Le applicazioni più complesse dell'uso dell'energia solare off-grid includono le stampanti 3D . Le stampanti 3D RepRap sono state alimentate a energia solare con tecnologia fotovoltaica, che consente la produzione distribuita per lo sviluppo sostenibile . Queste sono aree in cui i costi ei benefici sociali offrono un ottimo caso per passare al solare, sebbene la mancanza di redditività abbia relegato tali sforzi agli sforzi umanitari. Tuttavia, nel 1995 si era scoperto che i progetti di elettrificazione solare rurale erano difficili da sostenere a causa dell'economia sfavorevole, della mancanza di supporto tecnico e di un'eredità di secondi fini del trasferimento tecnologico da nord a sud.
  • Sistemi autonomi
Fino a una decina di anni fa, il fotovoltaico veniva utilizzato frequentemente per alimentare calcolatrici e dispositivi innovativi. I miglioramenti nei circuiti integrati e nei display a cristalli liquidi a bassa potenza consentono di alimentare tali dispositivi per diversi anni tra i cambi di batteria, rendendo meno comune l'uso del fotovoltaico. Al contrario, i dispositivi fissi remoti alimentati a energia solare hanno visto un uso crescente di recente in luoghi in cui i costi di connessione significativi rendono l'energia di rete proibitiva. Tali applicazioni includono lampade solari , pompe dell'acqua, parchimetri , telefoni di emergenza , compattatori di rifiuti , segnali stradali temporanei, stazioni di ricarica e postazioni e segnali di guardia a distanza.
  • nel trasporto
Il fotovoltaico è stato tradizionalmente utilizzato per l'energia elettrica nello spazio. Il fotovoltaico è usato raramente per fornire forza motrice nelle applicazioni di trasporto, ma può fornire energia ausiliaria in barche e automobili. Alcune automobili sono dotate di aria condizionata a energia solare. Un veicolo solare autonomo avrebbe potenza e utilità limitate, ma un veicolo elettrico a carica solare consente l'uso dell'energia solare per il trasporto. Sono state dimostrate auto, barche e aeroplani a energia solare, con il più pratico e probabile di questi sono le auto solari . L' aereo solare svizzero , Solar Impulse 2 , ha realizzato il più lungo volo non-stop in solitaria della storia e ha completato la prima circumnavigazione aerea del globo a energia solare nel 2016.
  • Telecomunicazioni e segnalamento
L'energia solare fotovoltaica è ideale per applicazioni di telecomunicazione come centralini telefonici locali, trasmissioni radio e TV, microonde e altre forme di collegamenti di comunicazione elettronica. Questo perché, nella maggior parte delle applicazioni di telecomunicazione, gli accumulatori sono già in uso e l'impianto elettrico è fondamentalmente DC. In terreni collinari e montuosi, i segnali radio e TV potrebbero non raggiungere poiché vengono bloccati o riflessi a causa del terreno ondulato. In queste posizioni sono installati trasmettitori a bassa potenza (LPT) per ricevere e ritrasmettere il segnale per la popolazione locale.
  • Applicazioni per veicoli spaziali
Parte del pannello solare di Giunone
I pannelli solari sui veicoli spaziali sono solitamente l'unica fonte di energia per far funzionare i sensori, il riscaldamento e il raffreddamento attivi e le comunicazioni. Una batteria immagazzina questa energia per usarla quando i pannelli solari sono in ombra. In alcuni, la potenza viene utilizzata anche per propulsione spaziale - propulsione elettrica . I veicoli spaziali sono stati una delle prime applicazioni del fotovoltaico, a partire dalle celle solari al silicio utilizzate sul satellite Vanguard 1 , lanciato dagli Stati Uniti nel 1958. Da allora, l'energia solare è stata utilizzata in missioni che vanno dalla sonda MESSENGER a Mercurio, fino a lontano nel sistema solare come la sonda Juno su Giove. Il più grande sistema di energia solare volato nello spazio è il sistema elettrico della Stazione Spaziale Internazionale . Per aumentare la potenza generata per chilogrammo, i tipici pannelli solari dei veicoli spaziali utilizzano celle solari multigiunzione rettangolari ad alto costo, ad alta efficienza e ravvicinate realizzate con arseniuro di gallio (GaAs) e altri materiali semiconduttori.
  • Sistemi di alimentazione speciali
I fotovoltaici possono anche essere incorporati come dispositivi di conversione dell'energia per oggetti a temperature elevate e con emissività radiative preferibili come combustori eterogenei .
  • Fotovoltaico da interno (IPV)
Il fotovoltaico indoor ha il potenziale per fornire energia all'Internet of Things , come sensori intelligenti e dispositivi di comunicazione, fornendo una soluzione ai limiti della batteria come il consumo energetico, la tossicità e la manutenzione. L'illuminazione ambientale interna, come i LED e le luci fluorescenti , emette radiazioni sufficienti per alimentare piccoli dispositivi elettronici o dispositivi a bassa richiesta di potenza. In queste applicazioni, il fotovoltaico indoor sarà in grado di migliorare l'affidabilità e aumentare la durata delle reti wireless , aspetto particolarmente importante con il numero significativo di sensori wireless che verranno installati nei prossimi anni.
A causa della mancanza di accesso alla radiazione solare , l' intensità dell'energia raccolta dal fotovoltaico indoor è solitamente di tre ordini di grandezza inferiore alla luce solare, il che influirà sull'efficienza delle celle fotovoltaiche. L' intervallo di banda ottimale per la raccolta di luce indoor è di circa 1,9-2 eV, rispetto all'optimum di 1,4 eV per la raccolta di luce all'aperto. L'aumento del gap di banda ottimale si traduce anche in una maggiore tensione a circuito aperto (VOC) , che influisce anche sull'efficienza. Il fotovoltaico al silicio , il tipo più comune di cella fotovoltaica sul mercato, è in grado di raggiungere un'efficienza di circa l'8% solo quando raccoglie la luce ambientale interna, rispetto all'efficienza del 26% alla luce del sole. Una possibile alternativa è utilizzare il silicio amorfo, a-Si , poiché ha un gap di banda più ampio di 1,6 eV rispetto alla sua controparte cristallina, il che lo rende più adatto a catturare gli spettri di luce interni.
Altri materiali e tecnologie promettenti per il fotovoltaico indoor includono materiali a film sottile , raccoglitori di luce III-V, fotovoltaico organico (OPV) e celle solari perovskite .
  • I materiali a film sottile, in particolare CdTe , hanno mostrato buone prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione e diffusione, con un gap di banda di 1,5 eV.
  • Alcune celle III-V a giunzione singola hanno band gap nell'intervallo da 1,8 a 1,9 eV, che hanno dimostrato di mantenere buone prestazioni sotto illuminazione interna, con un'efficienza superiore al 20%.
  • Ci sono stati vari impianti fotovoltaici organici che hanno dimostrato efficienze superiori al 16% dall'illuminazione interna, nonostante abbiano basse efficienze nella raccolta di energia sotto la luce del sole. Ciò è dovuto al fatto che gli OPV hanno un ampio coefficiente di assorbimento, intervalli di assorbimento regolabili e piccole correnti di dispersione in condizioni di scarsa illuminazione, che consentono loro di convertire l'illuminazione interna in modo più efficiente rispetto ai PV inorganici.
  • Le celle solari in perovskite sono state testate per mostrare un'efficienza superiore al 25% in condizioni di scarsa illuminazione. Mentre le celle solari perovskite contengono spesso piombo, sollevando la preoccupazione per la tossicità, anche i materiali ispirati alla perovskite senza piombo mostrano risultati promettenti come fotovoltaico per interni. Mentre vengono condotte molte ricerche sulle celle di perovskite, sono necessarie ulteriori ricerche per esplorare le sue possibilità per gli IPV e sviluppare prodotti che possono essere utilizzati per alimentare l'Internet delle cose.

Fotosensori

I fotosensori sono sensori di luce o altre radiazioni elettromagnetiche . Un fotorilevatore ha una giunzione p-n che converte i fotoni di luce in corrente. I fotoni assorbiti formano coppie elettrone-lacuna nella regione di svuotamento . Fotodiodi e fototransistor sono alcuni esempi di fotorivelatori. Le celle solari convertono parte dell'energia luminosa assorbita in energia elettrica.

Tecnologia sperimentale

Un certo numero di moduli solari può anche essere montato verticalmente uno sopra l'altro in una torre, se la distanza zenitale del Sole è maggiore di zero, e la torre può essere ruotata orizzontalmente nel suo insieme e ciascun modulo in aggiunta attorno a un asse orizzontale. In una tale torre i moduli possono seguire esattamente il Sole. Tale dispositivo può essere descritto come una scala montata su un disco girevole. Ogni gradino di quella scala è l'asse centrale di un pannello solare rettangolare. Nel caso in cui la distanza zenitale del Sole raggiunga lo zero, la "scala" può essere ruotata a nord oa sud per evitare che un modulo solare produca ombra su uno inferiore. Invece di una torre esattamente verticale si può scegliere una torre con un asse diretto alla stella polare , cioè parallelo all'asse di rotazione della Terra . In questo caso l'angolo tra l'asse e il Sole è sempre maggiore di 66 gradi. Durante il giorno è sufficiente ruotare i pannelli attorno a questo asse per seguire il sole. Gli impianti possono essere montati a terra (e talvolta integrati con l'agricoltura e il pascolo) o integrati nel tetto o nelle pareti di un edificio ( fotovoltaico integrato nell'edificio ).

Efficienza

Le migliori efficienze delle celle di ricerca

Il tipo più efficiente di cella solare fino ad oggi è una cella solare a concentratore multi-giunzione con un'efficienza del 46,0% prodotta da Fraunhofer ISE nel dicembre 2014. Le massime efficienze ottenute senza concentrazione includono un materiale di Sharp Corporation al 35,8% che utilizza un triplo proprietario -tecnologia di produzione di giunzione nel 2009, e Boeing Spectrolab (40,7% utilizzando anche un design a triplo strato).

È in corso uno sforzo per aumentare l'efficienza di conversione delle celle e dei moduli fotovoltaici, principalmente per ottenere un vantaggio competitivo. Per aumentare l'efficienza delle celle solari, è importante scegliere un materiale semiconduttore con un'adeguata banda proibita che corrisponda allo spettro solare. Ciò migliorerà le proprietà elettriche e ottiche. Migliorare il metodo di riscossione della carica è utile anche per aumentare l'efficienza. Ci sono diversi gruppi di materiali che vengono sviluppati. I dispositivi ad altissima efficienza (η>30%) sono realizzati utilizzando semiconduttori GaAs e GaInP2 con celle tandem multigiunzione. Materiali di silicio monocristallino di alta qualità vengono utilizzati per ottenere celle ad alta efficienza ea basso costo (η>20%).

I recenti sviluppi nelle celle fotovoltaiche organiche (OPV) hanno fatto progressi significativi nell'efficienza di conversione dell'energia dal 3% a oltre il 15% dalla loro introduzione negli anni '80. Ad oggi, la massima efficienza di conversione di potenza riportata varia dal 6,7% all'8,94% per le piccole molecole, dall'8,4% al 10,6% per gli OPV polimerici e dal 7% al 21% per gli OPV di perovskite. Gli OPV dovrebbero svolgere un ruolo importante nel mercato del fotovoltaico. I recenti miglioramenti hanno aumentato l'efficienza e abbassato i costi, pur rimanendo rispettosi dell'ambiente e rinnovabili.

Diverse aziende hanno iniziato a incorporare ottimizzatori di potenza nei moduli fotovoltaici chiamati moduli intelligenti . Questi moduli eseguono il monitoraggio del punto di massima potenza (MPPT) per ciascun modulo individualmente, misurano i dati sulle prestazioni per il monitoraggio e forniscono funzionalità di sicurezza aggiuntive. Tali moduli possono anche compensare gli effetti di ombreggiatura, in cui un'ombra che cade attraverso una sezione di un modulo fa diminuire l'uscita elettrica di una o più stringhe di celle nel modulo.

Una delle principali cause della riduzione delle prestazioni delle celle è il surriscaldamento. L'efficienza di una cella solare diminuisce di circa lo 0,5% per ogni aumento di temperatura di 1 grado Celsius. Ciò significa che un aumento di 100 gradi della temperatura superficiale potrebbe ridurre di circa la metà l'efficienza di una cella solare. Le celle solari autoraffreddanti sono una soluzione a questo problema. Invece di utilizzare l'energia per raffreddare la superficie, è possibile formare forme piramidali e coniche dalla silice e fissarle alla superficie di un pannello solare. Ciò consente alla luce visibile di raggiungere le celle solari , ma riflette i raggi infrarossi (che trasportano calore).

Vantaggi

I 122  PW di luce solare che raggiungono la superficie terrestre sono abbondanti, quasi 10.000 volte più dell'equivalente di 13 TW della potenza media consumata nel 2005 dagli esseri umani. Questa abbondanza porta a suggerire che non passerà molto tempo prima che l'energia solare diventi la principale fonte di energia del mondo. Inoltre, la generazione elettrica solare ha la più alta densità di potenza (media globale di 170 W/m 2 ) tra le energie rinnovabili.

L'energia solare è priva di inquinamento durante l'uso, il che le consente di ridurre l'inquinamento quando viene sostituita con altre fonti di energia. Ad esempio, il MIT ha stimato che 52.000 persone all'anno muoiono prematuramente negli Stati Uniti a causa dell'inquinamento delle centrali elettriche a carbone e che a tutte queste morti, tranne una, potrebbe essere impedito di utilizzare il fotovoltaico per sostituire il carbone. Gli scarti finali di produzione e le emissioni sono gestibili utilizzando i controlli dell'inquinamento esistenti. Sono in fase di sviluppo tecnologie di riciclaggio di fine utilizzo e si stanno elaborando politiche che incoraggino il riciclaggio da parte dei produttori.

Gli impianti fotovoltaici potrebbero idealmente funzionare per 100 anni o anche di più con poca manutenzione o intervento dopo la loro configurazione iniziale, quindi dopo il costo iniziale del capitale per la costruzione di qualsiasi impianto solare, i costi operativi sono estremamente bassi rispetto alle tecnologie energetiche esistenti.

L'elettricità solare connessa alla rete può essere utilizzata localmente riducendo così le perdite di trasmissione/distribuzione (le perdite di trasmissione negli Stati Uniti erano di circa il 7,2% nel 1995).

Rispetto alle fonti di energia fossile e nucleare, nello sviluppo delle celle solari è stato investito pochissimo denaro per la ricerca, quindi c'è un notevole margine di miglioramento. Tuttavia, le celle solari sperimentali ad alta efficienza hanno già efficienze superiori al 40% in caso di celle fotovoltaiche a concentrazione e le efficienze stanno aumentando rapidamente mentre i costi di produzione di massa stanno rapidamente diminuendo.

In alcuni stati degli Stati Uniti, gran parte dell'investimento in un sistema installato in casa può andare perduto se il proprietario della casa si trasferisce e l'acquirente attribuisce al sistema meno valore rispetto al venditore. La città di Berkeley ha sviluppato un metodo di finanziamento innovativo per rimuovere questa limitazione, aggiungendo un accertamento fiscale che viene trasferito con la casa per pagare i pannelli solari. Ora noto come PACE , Property Assesed Clean Energy, 30 stati degli Stati Uniti hanno duplicato questa soluzione.

Ci sono prove, almeno in California, che la presenza di un sistema solare installato in casa possa effettivamente aumentare il valore di una casa. Secondo un documento pubblicato nell'aprile 2011 dall'Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory intitolato An Analysis of the Effects of Residential Photovoltaic Energy Systems sui prezzi di vendita delle case in California:

La ricerca trova una forte evidenza che le case con sistemi fotovoltaici in California sono state vendute a un prezzo superiore rispetto a case comparabili senza sistemi fotovoltaici. Più specificamente, le stime per i premi fotovoltaici medi vanno da circa $ 3,9 a $ 6,4 per watt installato (DC) tra un gran numero di diverse specifiche del modello, con la maggior parte dei modelli che si uniscono intorno a $ 5,5 / watt. Tale valore corrisponde a un premio di circa $ 17.000 per un sistema FV relativamente nuovo da 3.100 watt (la dimensione media dei sistemi FV nello studio).

Svantaggi

  • Inquinamento ed energia nella produzione

Il fotovoltaico è stato un metodo ben noto per generare elettricità pulita e senza emissioni. I sistemi fotovoltaici sono spesso costituiti da moduli fotovoltaici e inverter (cambiando la corrente continua in corrente alternata). I moduli fotovoltaici sono principalmente costituiti da celle fotovoltaiche, che non hanno alcuna differenza fondamentale dal materiale utilizzato per realizzare i chip dei computer. Il processo di produzione delle celle fotovoltaiche è ad alta intensità energetica e coinvolge sostanze chimiche altamente velenose e tossiche per l'ambiente. Ci sono alcuni impianti di produzione FV in tutto il mondo che producono moduli FV con energia prodotta da FV. Questa misura di contrasto riduce considerevolmente l'impronta di carbonio del processo di produzione delle celle fotovoltaiche. La gestione delle sostanze chimiche utilizzate e prodotte durante il processo di fabbricazione è soggetta alle leggi e ai regolamenti locali degli stabilimenti.

  • Impatto sulla rete elettrica
Le reti con un'elevata penetrazione di fonti di energia rinnovabile richiedono generalmente una generazione più flessibile rispetto alla generazione del carico di base

Per gli impianti fotovoltaici su tetto dietro il contatore, il flusso di energia diventa bidirezionale. Quando c'è più produzione locale che consumo, l'elettricità viene esportata in rete, consentendo lo scambio sul posto . Tuttavia, le reti elettriche tradizionalmente non sono progettate per gestire il trasferimento di energia nei due sensi, il che può introdurre problemi tecnici. Potrebbe sorgere un problema di sovratensione quando l'elettricità ritorna alla rete da queste famiglie fotovoltaiche. Esistono soluzioni per gestire il problema della sovratensione, come la regolazione del fattore di potenza dell'inverter fotovoltaico, nuove apparecchiature di controllo della tensione e dell'energia a livello del distributore di energia elettrica, riconduzione dei cavi elettrici, gestione della domanda, ecc. Spesso ci sono limitazioni e costi correlati a queste soluzioni.

L'alta generazione durante le ore centrali della giornata riduce la domanda netta di generazione, ma una domanda netta di picco più elevata quando il sole tramonta può richiedere un rapido aumento delle centrali elettriche, producendo un profilo di carico chiamato curva d'anatra .

  • Implicazioni per la gestione della bolletta elettrica e gli investimenti energetici

Non esiste una pallottola d'argento nell'elettricità o nella domanda di energia e nella gestione delle bollette, perché i clienti (siti) hanno situazioni specifiche diverse, ad esempio esigenze di comfort/convenienza diverse, tariffe elettriche diverse o modelli di utilizzo diversi. La tariffa dell'elettricità può avere alcuni elementi, come l'addebito giornaliero per l'accesso e la misurazione, l'addebito energetico (basato su kWh, MWh) o l'addebito per la domanda di picco (ad es. un prezzo per il consumo energetico di 30 minuti più elevato in un mese). Il fotovoltaico è un'opzione promettente per ridurre i costi energetici quando i prezzi dell'elettricità sono ragionevolmente alti e in continuo aumento, come in Australia e Germania. Tuttavia, per i siti in cui è stata applicata la tariffa per la domanda di picco, il fotovoltaico può essere meno attraente se le richieste di picco si verificano principalmente nel tardo pomeriggio fino alla prima serata, ad esempio nelle comunità residenziali. Nel complesso, l'investimento energetico è in gran parte una decisione economica ed è meglio prendere decisioni di investimento basate su una valutazione sistematica delle opzioni di miglioramento operativo, efficienza energetica, generazione in loco e stoccaggio di energia.

Guarda anche

Riferimenti

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